Publicación: Simulador físico de la biomecánica respiratoria
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RESUMEN: El modelado y a simulación del sistema respiratorio ha sido un problema de interés para los clínicos e ingenieros, debido a la necesidad existente de entender a profundidad su biomecánica. En la actualidad hay diversidad de simuladores disponibles, tanto virtuales como físicos, sin embargo, aún existe una brecha entre la aproximación de simulación y el comportamiento verdadero de la mecánica ventilatoria en el proceso respiratorio. Los simuladores comerciales desprecian la importancia de considerar más de dos cavidades, la influencia de la mecánica del tórax y el hecho de tener varios puntos de medición, lo que implica mayor simplicidad en los modelos. Para atacar esta dificultad, este trabajo propone la realización de un simulador de mecánica respiratoria con cuatro unidades alveolares, con la inclusión del efecto de un diafragma, variación de resistencia en la inspiración y la espiración, la inclusión de fuerzas visco elásticas y la resistencia de tejidos. Además, incluye múltiples puntos de medición y un control para la respiración espontánea. Un simulador físico fue desarrollado el cual incluye nuevas características. La vía aérea tiene varias generaciones, tiene 4 unidades alveolares con la posibilidad de simular la fricción entre tejidos, los efectos elásticos, el volumen residual y las fuerzas visco elásticas. Además, puede generar una presión negativa con un sistema de 4 pistones acoplados a un motor BLDC el cual es controlado desde una interfaz gráfica desde un computador. Además, la vía aérea incluye 7 sensores de presión y flujo, y la caja torácica otros dos sensores para la medición de la presión intrapleural. Se realizaron 3 evaluaciones principales: Funcionalidad, integridad y precisión. En la evaluación de funcionalidad realizada por los investigadores, se calificó en una escala de 0.0 a 5.0 y se obtuvo promedio de 4.58. Una calificación de 4.78 (0.0 - 5.0) para la integridad que fue obtenida por medio de encuestas a expertos que incluía aspectos de diseño, funcionalidad, percepción y usabilidad. La tercera prueba consistió en la comparación de las variables de presión (P), flujo (F) y volumen (V) medidas a la entrada de gases en el simulador el cual estaba conectado a ventilador Hamilton® AMADEUS y su sistema de adquisición de datos (Datalogger). Los resultados adquiridos por este software (𝑃�𝑉�,𝐹�𝑉�,𝑉�𝑉�) fueron correlacionados con los obtenidos con el sistema de instrumentación desarrollado (𝑃�𝐼�,𝐹�𝐼�,𝑉�𝐼�). Los hallazgos revelan un 0.94 de coeficiente de correlación entra las presiones, un 0.75 para los flujos y un 0.19 para los volúmenes. Este proyecto presenta la importancia de considerar el sistema respiratorio más allá de sus dos características principales: la resistencia y la distensibilidad. El simulador desarrollado hace una aproximación más amplia a la biomecánica respiratoria, basado en una revisión extensa del estado del arte permitiendo el estrechamiento de brechas y el desarrollo de un simulador más completo y complejo, el cual considera la mayoría de las características fisiológicas de la biomecánica respiratoria, como una herramienta de uso potencial en educación, investigación y desarrollo de nuevas tecnologías.
Resumen en inglés
ABSTRACT: Modeling and simulation of the respiratory system has been an issue of interest for physicians and engineers, due to the existing need of understanding the biomechanics implied. Nowadays, there are vast examples of simulators available, they use both virtual and physicals models, however there is still a gap between the approximation and the actual behavior of the mechanics of the respiration process. Current commercial simulators diminish the importance of considering a more than two cavities model, the influence of thoracic mechanics and having diverse points of measurement, which implies a major simplification of the model. To address these issues, this work presents the development of a physical simulator with four alveolar units, able to include the effect of the diaphragm, the viscoelastic forces, variable flow resistance for inspiration and expiration, and tissue resistance. Besides, it incorporates multiple points of measurement and an automatic control for spontaneous respiration. A Physical simulator was developed which incorporates many new features. The airway is having multiple generations, it has 4 alveolar units with the possibility of generating frictional effect, elastic effect, a residual volume and viscoelastic forces. Also, it can generate a negative pressure by the effect of a 4 piston system attached to a BLDC motor which is controlled from a user interface in a computer. Furthermore, the airway includes 7 pressure and flow sensors and the chest wall cavity includes 2 more sensors for the intrapleural pressure monitoring. Three main evaluations were performed: functionality, integrity and precision. In the evaluation of functionality performed by the researchers, it was rated on a scale of 0.0 to 5.0 and an average of 4.58 was obtained. A 4.78 (0.0 a 5.0) grade for the integrity made by means of a survey of design, functionality, perception, and usability. The third test consisted in the comparison of the variables of pressure (P), flow (F) and volume (V) measured at the input of gases of the simulator which was connected to the Hamilton® AMADEUS ventilator and its data acquisition system (Datalogger). The results acquired by this software (𝑃𝑉,𝐹𝑉,𝑉𝑉) were correlated with those obtained with the developed instrumentation system (𝑃𝐼,𝐹𝐼,𝑉𝐼). The findings reveal a 0.94 correlation coefficient between the pressures, a 0.75 for the flows and a 0.19 for the volumes. This project presents the importance of considering the pulmonary system beyond its two main characteristics: resistance and compliance. The developed simulator makes a wider approach to the pulmonary biomechanics, based on an extensive revision of the state of the art, allowing to close gaps and develop a more complete and complex simulator, which considers the majority of physiological characteristics of the respiratory biomechanics. Which generates a tool that will help in education, research and technology developments.